EtherCAT工業乙太網與無線Zigbee間的網關裝置及其協議轉換方法
2023-05-21 11:15:26
專利名稱：EtherCAT工業乙太網與無線Zigbee間的網關裝置及其協議轉換方法
技術領域：
本發明涉及一種網絡技術領域的裝置及其方法，尤其是一種KherCat工業乙太網與無線Zigbee間的網關裝置及其協議轉換方法，屬於通信技術領域。
背景技術：
實時工業乙太網EtherCAT技術是一種近年發展起來的通用超高速乙太網現場總線技術，用於替代PROFIBUS、CANopen, MODBUS工業總線技術。所謂工業現場總線就是使數據採集裝置也即現場儀表和控制單元通過總線互聯起來，實現數據採集、分析與自動控制。EtherCAT協議是根據IEEE802. 3標準的擴展的乙太網系統，使得數據傳輸中具有可預測性定時及高精度同步等特點。傳統乙太網的介質訪問控制方式即帶有衝突檢測的載波偵聽多路訪問機制是一種非確定性的介質訪問控制方式，不能滿足工業現場的實時性要求，因此EtherCAT可以替換原有的乙太網星型拓撲結構，可以非常容易地建立線型拓撲，作為主站，標準乙太網控制器就可以滿足，不需要特定的硬體設備。無線傳感器網絡作為物聯網技術的感知層技術，在其發展中起著至關重要的作用，因Zigbee技術特有的低功耗、低複雜度和低成本的優勢，其無疑成為無線傳感網絡通信的首先技術，成功地應用到工業自動控制、智能電網等多個領域之中。Zigbee網絡由三種網絡節點組成網絡協調器、路由節點、終端節點。網絡協調器包含所有的網絡消息，存儲容量大、計算能力最強，發送網絡信標、建立一個網絡、管理網絡節點、存儲網絡節點信息、尋找一對節點間的路由消息、不間斷地接收消息；路由節點是網絡中的中繼，連接網絡各個節點，延伸和擴展網絡的覆蓋範圍和網絡規模。終端節點是只能直接發消息給網絡協調器和路由節點，所有採集的數據信息都經過該節點而進入Zigbee 通信網絡。將基於Zigbee技術的無線傳感網絡與EtherCAT工業以網結合使用，共同形成各控制領域中儀器儀表或電氣設備和分布式控制單元的骨幹總線網絡，隨著實時KherCAT 工業現場總線技術與Zigbee技術的普及，兩者協議轉換的網關裝置勢在必行。
發明內容
本發明的目的在於解決現有技術在EtherCAT有線總線網絡和Zigbee無線網絡兼容上的缺失，提供實時工業乙太網EtherCAT與無線傳感網絡Zigbee技術協議的規約轉換裝置。通過增加該網關設備，實現KherCAT有線網絡和Zigbee無線網絡之間的互聯互通， 其中主站處於分布式控制單元上，從站位於網關裝置端。本發明採用以下技術方案來實現
一種EtherCAT工業乙太網與無線Zigbee間的網關裝置，包括=Zigbee無線模塊、 EtherCAT模塊以及中心處理模塊，其中Zigbee無線模塊主要負責接收各種傳感收據和發送各種自動控制命令給儀器儀表，中心處理模塊主要負責EtherCAT驅動、與Zigbee無線模塊和EtherCAT模塊的數據與控制交互處理、應用程式的實現，EtherCAT模塊實現從站功能並實現與分布式控制單元中主站數據與控制的交互處理。前述的EtherCAT工業乙太網與無線Zigbee間的網關裝置，其特徵在於所述 Zigbee無線模塊包括Zigbee無線晶片和射頻天線，在Zigbee無線晶片上實現Zigbee無線技術標準協議棧、無線協議數據幀的處理與封裝。前述的EtherCAT工業乙太網與無線Zigbee間的網關裝置，其特徵在於所述 Zigbee無線模塊還包括射頻功率放大電路，所述射頻功率放大電路與Zigbee無線晶片相連。射頻功率放大電路為可裁減部分，根據實際應用的距離要求，確實是否裁減，該功率放大電路主要對信號進行線性放大，提高信號發送到空口的信號強度；射頻天線增加信號增益，實現信號的全方位或定向發送。所述的EtherCAT模塊，包括EtherCAT技術晶片、乙太網收發器晶片、網絡變壓器以及網口，其中=EtherCAT技術晶片實現從站功能，遵循EtherCAT標準協議，並負責與主站進行通信；乙太網收發器晶片負責實現物理層乙太網報文的收發控制，同時提供對介質訪問控制層的接口 ；網絡變壓器用於信號電平耦合，可以增強信號，提高傳輸距離，同時使晶片與外部隔離，增強抗幹擾能力；網口可以通用的RJ45接口，也可以是通過光電轉換的光纖乙太網接口。所述的中心處理模塊，包括中央處理單元、RAM內存、只讀儲存器ROM、Flash以及外圍電路組成，該模塊上可以運行各種作業系統，如linux、vxworks等，在該模塊上實現 EtherCAT模塊驅動，並同時負責Zigbee無線模塊和EtherCAT模塊的數據交互處理。本發明涉及的KherCAT工業乙太網與無線Zigbee間的協議轉換方法包括以下步驟
DKherCAT模塊作為從站讀取來自主站的數據，並進行數據解碼，從而得到發往該網關下的儀器儀表或電氣設備的數據報文；
2)中心處理模塊對數據報文進行處理並進行拆包或組包等處理，將處理後的數據報文發送Zigbee無線模塊；
3)Zigbee無線模塊將數據報文封裝成Zigbee無線數據幀，然後通過空口發送給儀器儀表或電氣設備上的Zigbee無線裝置；
4)儀器儀表或電氣設備上送採集數據的過程是上述過程的逆過程，即由儀器儀表採集數據，並將採集後的數據交給Zigbee無線裝置通過空口發送給協議轉換裝置上，協議轉換裝置中的Zigbee無線模塊解碼來自空口的Zigbee數據包，解析出採集的數據，該數據交給中心處理模塊進行緩存、組包等處理，並將處理後的數據包發送給EtherCAT模塊，由 EtherCAT模塊進行KherCAT報文封裝，並將報文送入乙太網總線發送給主站。本發明技術方案的顯著性進步和特點主要體現在通過肚herCAT工業乙太網與無線Zigbee間的網關裝置，可方便實現實時有線高速乙太網EtherCAT和Zigbee無線傳感技術的結合，在傳輸通道的部署和規劃上帶了極大的便利，也減少了大量電纜施工所帶來的困擾與代價。該網關裝置特別適合用於電廠分布式控制系統中分布式控制單元與儀器儀表或電氣設備的對接控制、工業自動化控制等。
圖1為本發明的EtherCAT工業乙太網與Zigbee無線技術結合的總線網絡； 圖2為本發明的網關裝置模塊結構示意圖3為本發明的網關裝置電路原理示意圖4為本發明的EtherCAT與Zigbee協議數據轉換示意圖5為本發明的儀器儀表採集數據經由網關上送監控系統順序流程圖。
具體實施例方式EtherCAT工業乙太網與無線Zigbee間的網關裝置及其方法，涉及Zigbee無線模塊、EtherCAT模塊以及中心處理模塊，其中Zigbee無線模塊主要負責接收各種傳感收據和發送各種自動控制命令給儀器儀表，中心處理模塊主要負責EtherCAT驅動、與Zigbee無線模塊和EtherCAT模塊的數據與控制交互處理、應用程式的實現，EtherCAT模塊實現從站功能並實現與分布式控制單元中主站數據與控制的交互處理。所述的Zigbee無線模塊，採用JermiC5148晶片來實現Zigbee協議棧，根據傳輸距離的需求可以加上或去掉功率放大電路，天線可採用2. 4GHz的吸盤天線，使得網關的封裝以及屏櫃的擺放更加靈活。所述的中心處理模塊，採用ARM Cortex A8內核CPU，並在該CPU上裁減Iinux作業系統，實現應用程式以及各協議數據和控制命令的處理。所述的^herCAT模塊，採用ET1100晶片來實現KherCAT從站功能，KS8721晶片來實現乙太網物理層數據的收發，網絡變壓器選用H1102晶片來進行隔離與信號恢復處理等，網口選用RJ45連接頭。通過如下步驟實現儀器儀表或電器設備實時狀態數據的上傳
1)分布式控制單元將配置發往從站，從站根據配置初始化KherCAT協議處理程序；
2)儀器儀表或電氣設備將採集的數據，如開關量、模擬量和實時狀態數據，通過 Zigbee無線發送給網關裝置；
3)網關裝置通過Zigbee無線模塊接收來自空口的數據，並將空口的數據進行緩存、處理以及協議數據轉換之後，將數據發給EtherCAT模塊，由EtherCAT模塊在分配的報文位置插入數據報文；
4)主站分布式控制單元收到乙太網報文後，將數據實時上傳給監控系統平臺，並同時實現自己的自動控制操作，如果需要根據狀態數據實施對儀器儀表或電氣設備的控制，則下發控制命令；
5)監控系統平臺也根據分布式控制單元上送的數據進行相應處理，如果需要根據狀態數據實施對儀器儀表或電氣設備的控制，則下發控制命令；
6)控制命令經由分布式控制單元主站，發送給網關從站，網關從站從分配的報文位置獲取控制命令數據，並將命令數據轉換成Zigbee空口數據報文下發給儀器儀表或電氣設備；
7)儀器儀表或電氣設備根據下發的控制命令進行相應的控制操作。綜上所述，採用本發明後，將KherCAT工業乙太網和無線Zigbee技術有機結合起來，給自動控制以及各種傳輸數據的傳輸通道靈活布置，數據的實時傳輸提供很強大的保障，通a^herCAT工業乙太網和無線Zigbee間的網關裝置，傳輸通道的靈活部署大大減少有線電纜的施工量，也彌補了有線和無線技術的不足，特別適用於工業自動化控制、電廠自動化控制以及各種大量儀器儀表的在線監視與控制系統。由此可見，本發明具有顯著性進步和優化提高的特點，其應用前景非常廣闊。 以上所述，僅是本發明的較佳實施例子而已，並非對本發明作任何形式上的限制， 凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與裝飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。
權利要求
1.一種EtherCAT工業乙太網與無線Zigbee間的網關裝置，包括Zigbee無線模塊、 EtherCAT模塊以及中心處理模塊，其特徵在於所述Zigbee無線模塊負責接收各種傳感收據和發送各種自動控制命令給儀器儀表，中心處理模塊負責EtherCAT驅動、與Zigbee無線模塊和EtherCAT模塊的數據與控制交互處理、應用程式的實現，EtherCAT模塊實現從站功能並實現與分布式控制單元中主站數據與控制的交互處理。
2.根據權利要求1所述的KherCAT工業乙太網與無線Zigbee間的網關裝置，其特徵在於所述Zigbee無線模塊包括Zigbee無線晶片和射頻天線，在Zigbee無線晶片上實現 Zigbee無線技術標準協議棧、無線協議數據幀的處理與封裝。
3.根據權利要求2所述的KherCAT工業乙太網與無線Zigbee間的網關裝置，其特徵在於所述Zigbee無線模塊還包括射頻功率放大電路，所述射頻功率放大電路與Zigbee無線晶片相連。
4.根據權利要求1所述的KherCAT工業乙太網與無線Zigbee間的網關裝置，其特徵在於所述的KherCAT模塊包括KherCAT技術晶片、乙太網收發器晶片、網絡變壓器以及網口，所述EtherCAT技術晶片實現從站功能，遵循EtherCAT標準協議，並負責與主站進行通信；乙太網收發器晶片負責實現物理層乙太網報文的收發控制，同時提供對介質訪問控制層的接口；網絡變壓器用於信號電平耦合；網口為通用的RJ45接口或通過光電轉換的光纖乙太網接口。
5.根據權利要求1所述的KherCAT工業乙太網與無線Zigbee間的網關裝置，其特徵在於所述的中心處理模塊包括中央處理單元、RAM內存、只讀儲存器ROM、Flash以及外圍電路，中心處理模塊上實現EtherCAT模塊驅動，並同時負責Zigbee無線模塊和EtherCAT 模塊的數據交互處理。
6.一種EtherCAT工業乙太網與無線Zigbee間的協議轉換方法包括以下步驟DKherCAT模塊作為從站讀取來自主站的數據，並進行數據解碼，從而得到發往該網關下的儀器儀表或電氣設備的數據報文；2)中心處理模塊對數據報文進行處理並進行拆包或組包處理，將處理後的數據報文發送Zigbee無線模塊；3)Zigbee無線模塊將數據報文封裝成Zigbee無線數據幀，然後通過空口發送給儀器儀表或電氣設備上的Zigbee無線裝置；4)儀器儀表或電氣設備上送採集數據的過程是上述過程的逆過程，即由儀器儀表採集數據，並將採集後的數據交給Zigbee無線裝置通過空口發送給協議轉換裝置上，協議轉換裝置中的Zigbee無線模塊解碼來自空口的Zigbee數據包，解析出採集的數據，該數據交給中心處理模塊進行緩存、組包處理，並將處理後的數據包發送給EtherCAT模塊，由 EtherCAT模塊進行KherCAT報文封裝，並將報文送入乙太網總線發送給主站。
全文摘要
本發明公開了一種EtherCAT工業乙太網與無線Zigbee間的網關裝置及其協議轉換方法，包括Zigbee無線模塊、EtherCAT模塊以及中心處理模塊，其特徵在於所述Zigbee無線模塊負責接收各種傳感收據和發送各種自動控制命令給儀器儀表，中心處理模塊負責EtherCAT驅動、與Zigbee無線模塊和EtherCAT模塊的數據與控制交互處理、應用程式的實現，EtherCAT模塊實現從站功能並實現與分布式控制單元中主站數據與控制的交互處理。本發明可實現實時有線高速乙太網EtherCAT和Zigbee無線傳感技術的結合，在傳輸通道的部署和規劃上帶了極大的便利，也減少了大量電纜施工所帶來的困擾與代價。
文檔編號H04W28/06GK102271100SQ20111026012
公開日2011年12月7日 申請日期2011年9月5日 優先權日2011年9月5日
發明者劉亮, 張笑天, 張雷, 徐大可, 楊為民, 楊春瑜, 王文強, 鄔東曉 申請人:國電南京自動化股份有限公司